삼투압 보조 역삼투압(OARO): 유망한 고염수 담수화 기술

기존의 담수화 기술은 해수나 염수를 처리하는 데 있어 상당한 진전을 이루었지만, 여전히 처리 후 남는 고염도 농축염수(brine)는 처리하기 어렵고 비용도 많이 드는 과제로 남아 있습니다. 특히 지표수나 지하수에 방류할 경우 환경적인 부담도 큽니다. 이로 인해 새로운 고염수 처리 기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 그 중 하나가 바로 삼투압 보조 역삼투압(OARO, Osmosis-Assisted Reverse Osmosis) 입니다.

OARO란 무엇인가?

OARO는 기존의 역삼투압(RO, Reverse Osmosis) 공정에 삼투압의 원리를 결합한 진일보한 막 분리 기술입니다. 이 기술은 막의 한쪽에는 고농도 염수, 다른 한쪽에는 상대적으로 염도가 낮은 ‘드로우 용액(draw solution)’을 사용하여, 삼투압 구배(osmotic gradient)를 형성하고 이를 통해 물 분자가 이동하게끔 유도합니다.

기존 RO 공정은 막의 한쪽에 높은 압력을 가하여 물을 반대편으로 밀어내는 방식이지만, OARO는 이러한 압력 외에도 삼투압 차이를 적극적으로 활용함으로써 더 낮은 에너지로도 높은 회수율을 달성할 수 있습니다. 게다가, 막에 가해지는 압력이 낮아지므로 시스템의 수명도 길어지고, 유지보수 비용도 줄어드는 장점이 있습니다.

OARO의 작동 방식

OARO는 여러 단계(stage)로 구성된 공정을 통해 작동합니다. 각 단계에서 막의 공급수(feed)는 고농도 염수이고, 투과측(permeate side)에는 앞 단계에서 나온 상대적으로 낮은 염도의 용액이 흐릅니다. 이로 인해 각 단계에서 삼투압 차이가 형성되어, 일정량의 물이 고염수에서 드로우 솔루션 쪽으로 이동합니다. 이 과정이 반복되면서 점진적으로 염수의 농도가 희석되고, 최종 단계에서는 기존의 RO 시스템을 통해 깨끗한 물이 추출됩니다.

이와 같은 단계별 처리 덕분에, OARO는 일반적인 RO로는 감당하기 힘든 매우 고염도(예: 150,000 mg/L 이상)의 염수도 효율적으로 처리할 수 있습니다.

* 장점 요약

• 고염수 처리 능력 탁월: 기존 RO 한계를 넘어서는 농도의 염수도 가능

• 낮은 에너지 소비: 삼투압 차이 활용으로 압력 요구 감소

• 막 손상 위험 낮음: 고압을 필요로 하지 않음

• 높은 담수 회수율: 염수에서 더 많은 깨끗한 물 추출 가능

• 단계적 설계 유연성: 필요에 따라 시스템 확장 가능

* 기술의 한계와 보완

물론 OARO 기술에도 해결해야 할 과제가 있습니다. 대표적으로는 드로우 용액이 농축됨에 따라 후속 정제 또는 회수 공정이 필요하다는 점입니다. 또한, 시스템 설계와 운전 조건에 따라 막 오염(fouling)이나 성능 저하 문제가 발생할 수 있어 이를 최소화하기 위한 전처리 및 모니터링 기술이 병행되어야 합니다.

* 결론

OARO는 고염수 처리와 담수화 기술의 미래를 여는 매우 유망한 솔루션입니다. 특히 기존 RO로는 어려운 고염도 환경에서도 효율적인 운전이 가능하다는 점에서 지속 가능하고 비용 효율적인 고도 담수화 기술로 주목받고 있습니다. 향후 기술 개선과 상용화가 이뤄질 경우, OARO는 산업용수, 농업용수, 해수 담수화 플랜트 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용될 것으로 기대됩니다.

참고문헌:

[1] GP Thiel, EW Tow, LD Banchik, HW Chung 및 JH Lienhard, "셰일 오일 및 가스 추출에서 생산된 물의 담수화에 따른 에너지 소비", Desalination, 제366권, 94-112쪽, 2015년 6월, doi: 10.1016/j.desal.2014.12.038.

[2] TV Bartholomew, L. Mey, JT Arena, NS Siefert 및 MS Mauter, "고염도 염수 처리를 위한 삼투압 지원 역삼투", 담수화, 제421권, 3-11쪽, 2017년 11월, doi: 10.1016/j.desal.2017.04.012.

[3] BHM Beigi, S. Gadkari 및 J. Sadhukhan, "낮은 에너지 소비로 높은 용질 농도를 달성하기 위해 시뮬레이션된 삼투압 지원 역삼투", Scientific Reports, 제12권, 제1호, 2022년 8월, doi: 10.1038/s41598-022-16974-x.

[4] CD Peters 및 NP Hankins, “삼투압 보조 역삼투(OARO): 압력 구동 멤브레인 공정을 사용하여 염수 탈수를 위한 5가지 접근 방식”, 담수화, 제458권, 1-13쪽, 2019년 5월, doi: 10.1016/j.desal.2019.01.025.